新型缺陷地结构定向耦合器的耦合度研究

引言

随着通信、电子技术的发展，被广泛使用的微波电路朝着集成化、小型化方向不断发展。元件尺寸和性能成为卫星通信、雷达系统等电子系统设计的主要因素。相继问世的PBG(电磁带隙)、DGS(缺陷地结构)、SIW(基片集成波导)等新结构为微波电路的设计带来了新的活力。

光子带隙结构(PhotonicBandgap,PBG)是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成的周期性阵列结构，由于其在某些频段内具有带阻特性，所以在微波频段得到了广泛应用。然而PBG结构由于其模型复杂、周期性特点导致其物理尺寸较大，所以在实际应用中存在一定困难。在此基础上，韩国学者JutrSeekPark和Chui-SooKim等人提出缺陷地结构(DefectedGroundStructure-DGS)，DGS是在微带、共面波导等传输线的接地金属板上刻蚀周期或非周期的各种栅格结构，以改变电路衬底有效介电常数的分布，从而改变基于该介质上传输线的分布电感和分布电容，使此类传输线具有带隙特性和慢波特性。由于DGS的单极点低通特性、慢波效应和高特性阻抗等独特性能，使得其广泛应用于微波无源、有源电路、天线等设计当中。

本文首先研究了DGS的基本特性，并在此基础上设计了一种新型定向耦合器，最后分析研究了缺陷地结构对该耦合器耦合度的影响。

1 DGS的基本结构和特性

传统的DGS单元为哑铃型，由两个正方形和它们之间的一个狭槽构成。图1所示为一段缺陷地结构(DGS),图中的虚线部分为刻蚀于介质衬底的背面接地金属板上的“哑铃型”DGS结构。它由两个边长为的正方形和一个狭缝组成。狭缝的宽度为给g,其高度与微带线的宽度一致，均为w,图2给出了该结构的典型频率响应曲线。由图2可以看出，DGS结构的微带线具有高阻特性，能产生明显的阻带，该单元可近似等效为一个并联的RLC谐振电路，其等效电路如图3所示。

DGS单元尺寸的变化会引起微带线的等效电感、电容的变化，从而实现所需的带阻特性。

2 DGS微带定向耦合器的分析设计

传统微带线定向耦合器为四端口网络,基本工作原理如图4所示。当电磁波从端口1输入时,除了有一部分能量直接从端口2输出外，通过两线之间的电磁耦合，还有部分能量从端口3或4输出。由于电场耦合在副线中向端口3和端口4产生的电压是等幅同相的，而磁场耦合在副线中向端口3和端口4产生的电压是等幅反相的。因此，副线中端口4处的电压是同相叠加，而副线中端口3处的电压是反向而抵消的，这种定向耦合器称为反向定向耦合器。